CN112092419A - 一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法，包括以下步骤：A)将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成管状；B)将若干个步骤A)得到的水凝胶以有序排列、编织或混合的方式放置，再干燥成型，得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材。本申请从细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶开始，通过将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成管状，再将所述细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成的管状凝胶有序排列、编织或随机混合，干燥成型，得到一种具有微观管状结构的、具有极低热膨胀率、轻质高强、高抗冲击的细菌纤维素复合板材。

Description

一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法
技术领域
本发明涉及新材料开发技术领域，尤其涉及一种管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法。
背景技术
细菌纤维素是一种天然的生物高聚物，具有很多优异性能，例如：具有较好的生物可降解性和生物适应性，而且具有独特的物理、化学和机械性能，例如高的结晶度、高的持水性、超细纳米纤维网络、高抗张强度和弹性模量等，因而成为近来国际上新型材料加工领域的研究热点。细菌纤维素三维纳米网络中，纳米纤维素纤维直径在20～100nm之间，比植物纤维素(10μm)小2～3个数量级，另外，它与植物纤维素的主要差别在于前者不含有半纤维素、木质素等。
管状结构是一种中空柱状结构，工程上存在许多内腔封闭或半封闭的小直径细长管状结构，其中有些内腔结构属关键承力结构，对使用安全至关重要。由于减轻重量和满足功能等方面的特殊要求，内腔结构在飞机上的应用尤其广泛，如平尾大轴和起落架支柱等。基于此，提供一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法，本申请制备的细菌纤维素复合板材具有低热膨胀率、轻质高强和高抗弯强度的特点。
有鉴于此，本申请提供了一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法，包括以下步骤：
A)将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成管状；
B)将若干个步骤A)得到的水凝胶以有序排列、编织或混合的方式放置，再干燥成型，得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材。
优选的，所述细菌纤维素水凝胶选自细菌发酵所得的细菌纤维素水凝胶，所述细菌纤维素复合材料水凝胶为高分子和纳米材料中的一种或多种与细菌纤维素复合的水凝胶。
优选的，所述细菌纤维素水凝胶或所述细菌纤维素复合材料水凝胶的厚度为0.1～50mm，含水量为50％～70％。
优选的，所述放置的层数为1～200层。
优选的，所述编织的方式为三维编织。
优选的，所述三维编织为基于空间群R3对称性的三维编织或基于空间群P3对称性的三维编织。
优选的，所述压缩在模具中进行。
优选的，所述干燥成型的方式包括直接蒸发干燥成型、加热蒸发干燥成型或放入模具热压干燥成型。
优选的，所述热压的温度为0～200℃，压力为1～800MPa。
本申请提供了一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法，其首先将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷绕成管状，再将若干个管状的细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶以有序排列、编织或混合的方式放置，最后进行干燥成型，即得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材；本申请将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成管状，再经过干燥成型，使得到的细菌纤维素复合板材内部的纳米纤维素之间形成强氢键，管壁多层结构之间形成强氢键，管与管接触界面之间形成氢键，进而得到了具有管状结构、轻质高强、低热膨胀率以及高抗弯强度的细菌纤维素复合板材，此外，细菌纤维素复合板材内部的管状结构还可提高材料的韧性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的具有管状结构的细菌纤维素复合板材的外观照片；
图2为本发明实施例1制备的具有管状结构的细菌纤维素复合板材的微观照片；
图3为本发明实施例1与对比例1制备的细菌纤维素复合板材的三点弯曲应力-应变曲线图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于管状结构可以给材料带来特殊的性能，本申请针对细菌纤维素水凝胶提供了一种制备方法，该制备方法可制备得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材，该复合板材具有低热膨胀率、轻质高强和高抗弯强度等优点。具体的，本发明实施例公开了一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法，包括以下步骤：
A)将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成管状；
B)将若干个步骤A)得到的水凝胶以有序排列、编织或混合的方式放置，再干燥成型，得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材。
在上述制备具有灌装结构的细菌纤维素复合板材的制备过程中，本申请首先将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成管状；在此过程中，所述卷成管状的方式按照本领域技术人员熟知的方式进行即可，对此本申请没有特别的限制。所述管状也为本领域技术人员熟知的形状，对此本申请没有特别的限制。所述细菌纤维素水凝胶是由细菌发酵所得的细菌纤维素水凝胶，其制备方法按照本领域技术人员熟知的方法制备即可，对此本申请没有特别的限制。所述细菌纤维素复合材料水凝胶是由高分子和纳米材料中的一种或多种与细菌纤维素复合的水凝胶；其制备方法也为本领域技术人员熟知的，对此本申请没有特别的限制；本申请中，所述高分子具体选自PVA、PAA、PEG、CMC、海藻酸钠、壳聚糖、蛋白质、葡聚糖等水溶性高分子中的一种或者几种，所述纳米材料具体选自碳纳米管、氧化石墨烯、黏土片、氮化硼纳米片、二硫化钼纳米片、二氧化硅纳米球、四氧化三铁纳米颗粒、氧化锌纳米线与金纳米颗粒中的一种或多种；在具体实施例中，所述纳米材料选自纳米粘土片。所述细菌纤维素复合材料水凝胶中的高分子和或纳米材料可进一步提高水凝胶的功能性，根据复合板材的性能可进行选择性的添加。在本申请中，所述细菌纤维素水凝胶或所述细菌纤维素复合材料水凝胶的厚度为0.1～50mm，含水量为50％～70％。
按照本发明，然后将卷成管状的细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶以有序排列、编织或混合的方式放置，再干燥成型，即得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材。在上述放置过程中，可以是有序排列的方式，可以是编织的方式放置，也可以是随意混合的方式；所述有序排列的方式为本领域技术人员熟知的有序排列方式，对此本申请没有特别的限制。所述编织的方式可以为三维编织，更具体的可以是基于空间群R3对称性的三维编织或基于空间群P3对称性的三维编织；上述编织的方式本申请可以采用人工编织的方式，也可以采用机器编织的方式，对此本申请没有特别的限制。对于放置的层数可以是一层放置，也可以是多层放置，更具体的，所述放置的层数为1～200层。本申请最后进行干燥成型，以使细菌纤维素之间形成氢键，进一步提高复合板材的性能；所述干燥成型的方式包括直接蒸发干燥成型、加热蒸发干燥成型或放入模具热压干燥成型；本申请优选在模具中热压干燥成型，所述模具可以具有不同形状和尺寸，对此本申请没有特别的限制。所述热压的温度为0～200℃，所述热压的压力为1～800MPa；在具体实施例中，所述热压的温度为50～150℃，所述热压的压力为50～400MPa。
本申请通过将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成管状，再将所述细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成的管状凝胶有序排列、编织或随机混合，干燥成型后得到一种具有微观管状结构的，具有极低热膨胀率、轻质高强、高抗冲击的细菌纤维素或细菌纤维素复合材料块材。本申请采用的原料为天然纳米纤维素，其安全无毒无害，且可自然降解。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
A)将厚度为0.5mm，长度宽度为20cm的细菌纤维素水凝胶卷成管状；
B)将大量步骤A)中细菌纤维素水凝胶管随机混合；
C)将步骤B)得到的混合物放入模具，于温度80℃，压力100MPa下压缩，得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材。
图1为本实施例制备的具有管状结构的细菌纤维素复合板材照片，图2为本实施例1制备的具有管状结构的细菌纤维素复合板材微观照片，经过计算可知，本实施例制备的具有管状结构的细菌纤维素复合板材密度为1.12g·cm-3，热膨胀系数约为6ppm/K。
实施例2
A)将厚度为0.5mm，长度宽度为20cm的细菌纤维素与纳米粘土片水凝胶卷成管状，纳米粘土片含量为45％；
B)将大量步骤A)中细菌纤维素水凝胶管有序排列堆放；
C)将步骤B)得到的混合物放入模具，于温度70℃下加热干燥成型，得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材。
对比例1
A)将厚度为0.5mm，长度宽度为20cm的细菌纤维素水凝胶随机混合；
B)将步骤A)得到的混合物放入模具，于温度80℃，压力100MPa下压缩，得到细菌纤维素复合板材。
测试实施例1与对比例1制备的细菌纤维素复合板材的力学性能，如图3所示，图3为实施例1与对比例1制备的细菌纤维素复合板材在不同应变下的压应力曲线图，由图可知，实施例1制备的具有管状结构的细菌纤维素复合板材的弯曲强度可达85MPa，弯曲模量可达3GPa，在19％的弯曲应变下仍能保持一半以上的强度；对比例1制备的不具有管状结构的细菌纤维素复合板材的弯曲强度可达90MPa，弯曲模量可达4GPa，超过4％的弯曲应变，弯曲强度就降到了最大强度的一半以下。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种具有管状结构的细菌纤维素复合板材的制备方法，包括以下步骤：
A)将细菌纤维素水凝胶或细菌纤维素复合材料水凝胶卷成管状；
B)将若干个步骤A)得到的水凝胶以有序排列、编织或混合的方式放置，再干燥成型，得到具有管状结构的细菌纤维素复合板材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述细菌纤维素水凝胶选自细菌发酵所得的细菌纤维素水凝胶，所述细菌纤维素复合材料水凝胶为高分子和纳米材料中的一种或多种与细菌纤维素复合的水凝胶。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述细菌纤维素水凝胶或所述细菌纤维素复合材料水凝胶的厚度为0.1～50mm，含水量为50％～70％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述放置的层数为1～200层。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述编织的方式为三维编织。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述三维编织为基于空间群R3对称性的三维编织或基于空间群P3对称性的三维编织。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压缩在模具中进行。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥成型的方式包括直接蒸发干燥成型、加热蒸发干燥成型或放入模具热压干燥成型。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述热压的温度为0～200℃，压力为1～800MPa。
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